聚乙烯管熱熔對接焊縫超聲檢測實驗研究

王海濤，吳 瓊，康正亮，胥凱暉，龍盛蓉，李秋鋒

(1.江西建工第二建筑有限責任公司，南昌 330001；2.無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室(南昌航空大學)，南昌 330063；3.人民解放軍94829部隊，南昌 330201)

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聚乙烯管熱熔對接焊縫超聲檢測實驗研究

王海濤1，吳 瓊2，康正亮3，胥凱暉3，龍盛蓉2，李秋鋒2

(1.江西建工第二建筑有限責任公司，南昌 330001；2.無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室(南昌航空大學)，南昌 330063；3.人民解放軍94829部隊，南昌 330201)

PE管作為燃氣運輸管道已得到越來越廣泛的應(yīng)用，但PE管熱熔焊對接接頭的內(nèi)部質(zhì)量仍然沒有找到可靠的無損檢測方法。提出超聲無損檢測方法對焊接接頭進行檢測，首先分析了超聲檢測原理，然后設(shè)計和制備含缺陷的PE管焊接接頭試塊，通過建立實驗測試系統(tǒng)，選擇和標定測試參數(shù)，選用2 MHz縱波對試樣進行超聲檢測，衰減系數(shù)約為0.633 dB/mm，實際K值約為0.94。檢測結(jié)果表明，采用超聲縱波傾斜入射的方式對焊接接頭內(nèi)部缺陷有很好檢測靈敏度，可以獲得缺陷位置，誤差約為1～2 mm，可以滿足工程需要，但是對于缺陷的定量還需要做進一步研究。

聚乙烯管道；超聲檢測；對接焊接接頭

0 引言

自20世紀 60 年代將聚乙烯管(PE管)用于管道燃氣輸送工程以來，該材料以耐腐蝕性能強、焊接性能優(yōu)異、柔韌性佳、流通能力大、施工效率高、經(jīng)濟性好、使用壽命長等優(yōu)點，在全球燃氣領(lǐng)域得到迅速推廣，現(xiàn)在歐美發(fā)達國家的燃氣管道幾乎100%使用聚乙烯管，我國在經(jīng)過多年的嘗試和實驗后，目前在燃氣管道行業(yè)已開始大規(guī)模地應(yīng)用聚乙烯管取代鋼管[1-2]。

PE材料是一種結(jié)晶度高、非極性的熱塑性樹脂材料，PE燃氣管道主要成分是高密度聚乙烯(HDPE)，目前國家規(guī)定允許使用的兩種連接方式分別是熱熔和電熔焊接方式。PE管熱熔對接焊接工藝和設(shè)備比較簡單，可以保證焊接接頭的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、性能與管材本身具有同一性，實現(xiàn)了焊接接頭與管材的一體化，因此應(yīng)用更為廣泛[3]。本研究主要是對熱熔焊接對接接頭進行超聲檢測方法研究。由于在熱熔焊接時操作不穩(wěn)定時質(zhì)量難以保證，由于燃氣用管道是要在完工驗收合格后填土埋地的，所以PE管的焊接絕大部分是在露天工地現(xiàn)場的地溝里進行的，工地上的泥土、污水等往往附在PE管接頭處的表面，如果PE管表面清理不干凈，很有可能造成焊縫內(nèi)存在氣孔、未熔合、夾雜物等缺陷，極大影響焊縫的質(zhì)量，嚴重時使聚乙烯管道在接頭處形成貫穿性缺陷導(dǎo)致燃氣泄漏，給燃氣的輸送帶來極大的安全隱患，因此PE管焊接質(zhì)量直接影響到管道系統(tǒng)的安全和壽命。

由于PE管的主要成分是HDPE，它是一種非鐵磁性絕緣材料，無法通過使用渦流和磁粉檢測對其近表面缺陷進行檢測。對其內(nèi)部缺陷只能通過射線和超聲進行檢測。由于射線檢測的危險性和其操作的復(fù)雜性，不適合在現(xiàn)場進行檢測，而且檢測設(shè)備笨重、成本高，因此能夠?qū)E管焊接接頭內(nèi)部缺陷進行較好的檢測的方法是超聲檢測[4-5]。

2 超聲檢測方法原理

超聲檢測原理是超聲探頭發(fā)射脈沖波到被檢工件內(nèi)，通過觀察來自內(nèi)部缺陷或工件底面反射波的情況來對工件進行檢測的方法(圖1)。由超聲探頭被脈沖信號激勵后，發(fā)生電聲轉(zhuǎn)換產(chǎn)生超聲信號，并傳入被檢工件內(nèi)，如果超聲波在均質(zhì)工件中沒有遇到缺陷，將以恒定聲速傳播，直到底面后反射回來被超聲探頭接收到；而傳播過程中遇到了異種材料(缺陷)，出現(xiàn)了聲阻抗不同的材料界面，則會發(fā)生反射和繞射，一部分能量被反射回去被超聲探頭接收到，還有一部分能量繞射過缺陷繼續(xù)向前傳播，直至到底面后反射回超聲探頭接收。因此，通過分析超聲檢測信號可以確定缺陷的有、無缺陷的大小和位置等信息[6-7]。

超聲波傾斜入射到兩種不同介質(zhì)界面時，將會在界面上會產(chǎn)生波的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象[8-10](圖2)。超聲波的傳播都符合Snell定律，圖2a為縱波入射到傾斜界面情況，Snell定律可以用式(1)描述。

(1)

同樣橫波入射到傾斜界面情況如圖2b所示，snell定律可以用式(2)描述。

(2)

圖1 超聲檢測原理圖

3 實驗測試

3.1 試樣制備

為了驗證超聲波對PE管檢測的有效性，實驗設(shè)計和制備了如圖3所示的含平底孔和內(nèi)部夾渣兩種典型人工缺陷的試樣。其中:圖3a為外徑157 mm、壁厚10 mm的PE管內(nèi)含孔徑為φ2 mm、埋深為11 mm的平底孔試塊；圖3b為外徑200 mm、壁厚18 mm的PE管內(nèi)含直徑為φ2 mm、長度為7 mm的金屬夾渣試塊。

3.2 測試系統(tǒng)建立及標定

實驗采用商用超聲檢測儀器CTS-1010，該儀器輕巧便攜、操作方便，且符合TSG R0004—2009和歐盟EN12668-1—2000標準要求。由于PE材料是一種高衰減材料，選用的檢測頻率和波型對檢測結(jié)果有很大影響，為了獲得更好的穿透力，根據(jù)現(xiàn)有條件選用了2 MHz縱波進行檢測。

測試前首先進行了衰減系數(shù)和聲速的測量。用2C20N型超聲直探頭在PE管上檢測測試，通過多次底波和不同位置處的測量，計算出PE材料縱波聲速約為2 377.2 m/s，衰減系數(shù)約為0.633 dB/mm。由于材料的衰減系數(shù)較大，所以實驗都是采用一次波檢測[11-12]。

圖2 超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面?zhèn)鞑ナ疽鈭D

圖3 PE管熱熔焊接接頭含缺陷試樣

PE管焊接接頭焊縫存在余高，需要采用傾斜入射的方式檢測，實驗測試示意圖如圖4所示?？紤]到橫波在PE材料中的衰減非常大，而常規(guī)橫波斜探頭楔塊材料為有機玻璃，其聲速約為2 700 m/s，與PE材料聲速相近，所以如果采用常規(guī)橫波斜探頭檢測，在PE管中不僅會有橫波產(chǎn)生，也會產(chǎn)生縱波入射，而橫波衰減非常大，基本不會影響實驗檢測中折射縱波檢測結(jié)果，后面實驗測試結(jié)果也證實了這一點。實驗選用了2P13×13K2.5的常規(guī)鋼材檢測探頭，該探頭在鋼中的折射角約為68.2°，由于鋼中橫波聲速約為3 230 m/s，根據(jù)式(1)可計算出在檢測PE材料時的縱波折射角約為43.1°，K值約為0.94，而探頭的入射點位置保持不變，經(jīng)測量探頭前沿約為10 mm。

圖4 PE管焊接接頭傾斜測試示意圖

最后用直探頭在PE管上確定掃描速度(采用深度定標方式)，由于2個試樣壁厚和外徑都不同，耦合上存在差異，而且根據(jù)式(3)計算出超聲波近場區(qū)約為36 mm，根據(jù)超聲波傳播路徑，可以判斷一次波應(yīng)該還在近場區(qū)內(nèi)，目前還沒有用于檢測的對比試塊，所以本次研究只研究了超聲檢測的靈敏度和缺陷定位精度，而沒有做缺陷定量方面的研究。

(3)

3.3 測試結(jié)果及分析

按照圖4方法對制備的PE試樣進行超聲測試實驗，實驗通過對無缺陷處和有缺陷處的檢測信號對比，確定超聲檢測對PE管焊接接頭缺陷的有效性，平底孔試樣的測試結(jié)果如圖5所示，夾渣試樣的測試結(jié)果如圖6所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)無論是平底孔還是夾渣，都有明顯的反射信號，而且底波都衰減很大，只是在反射特性上，平底孔反射更為尖銳，而由于夾渣表面不平整且有一定長度，反射信號出現(xiàn)多個波峰，寬度加寬。表1中列出了兩種缺陷定位結(jié)果以及誤差，表中數(shù)據(jù)為3次測量結(jié)果的平均值，通過折射角和探頭前沿距離可以計算出缺陷距離探頭前端的距離都在焊縫區(qū)域內(nèi)。

表1 試樣超聲檢測結(jié)果及誤差

實驗測試結(jié)果表明,兩類缺陷都能夠有明顯反射信號，說明超聲檢測方法對PE管焊接接頭檢測是有效的。但是檢測存在一定誤差，一方面可能是由于缺陷加工本身存在一定誤差，特別是夾渣，是在焊接前放置在焊縫中，經(jīng)過焊接加工可能出現(xiàn)一些位置偏差；另外一方面，可能是人為檢測定標和測量過程中出現(xiàn)的誤差，但是對于宏觀缺陷的無損檢測，這個誤差還是可以接受的。

圖5 平底孔試樣檢測波形圖

圖6 夾渣試樣檢測波形圖

4 結(jié)論

1)通過對超聲脈沖反射法原理和超聲傾斜入射角度分析，根據(jù)PE管焊接接頭結(jié)構(gòu)和材料中超聲傳播特點，選用2 MHz縱波斜入射方式對試樣進行超聲檢測，衰減系數(shù)約為0.633 dB/mm，實際K值約為0.94。

2)通過常規(guī)超聲斜探頭分別對含平底孔和夾渣缺陷的PE管熱熔焊縫試樣進行實驗測試，測試結(jié)果表明超聲檢測方法可以有效對缺陷定位，定位誤差約為1～2 mm，能夠滿足工程檢測定位要求。

3)由于超聲波近場區(qū)較大，且仍沒有相應(yīng)對比試塊，所以對于缺陷的定量還很難實現(xiàn)，要實現(xiàn)PE管熱熔焊縫檢測工程化應(yīng)用還需要進一步設(shè)計對比試塊，實現(xiàn)缺陷準確定量的方法。

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Research on Ultrasonic Testing Method for PE Pipe Hot Melt Butt Weld Seam

WANG Hai-tao1，WU Qiong2，KANG Zheng-liang3，XU Kai-hui3，LONG Sheng-rong2，LI Qiu-feng2

(1.JiangxiConstructionEngineeringtheSecondConstructionCo.,Ltd.,Nanchang330001,China;2.KeyLaboratoryofNondestructiveTesting(MinistryofEducation),NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China;3.Group94829ofPLA,Nanchang330201,China)

PE pipe as the gas transportation pipeline has been more and more widely used, but the internal quality of PE pipe heat of fusion welded butt joints still did not find reliable NDT methods. Ultrasonic detection method to detect the welding joint is presented, the first the principle of ultrasonic detection is analyzed, and then PE pipe welded joint specimens with the defects are designed and prepared, and through the establishment of experimental system, testing parameters are selected and calibrated, 2 MHz longitudinal wave is selected to detect the specimens, the attenuation coefficient is about 0.633 dB/mm, the actualKvalue is about 0.94, test results show that great detection sensitivity can be achieved by adopting ultrasonic longitudinal wave tilt incident joint internal defect of the welding, and defect position can be obtained, the error is about 1～2 mm, which can meet the engineering needs, but the quantification of defects also need to do further research.

PE pipe; ultrasonic testing; butt weld seam

2016年6月1日

2016年7月28日

國家自然科學基金(11264032)；國家質(zhì)檢總局科技計劃項目(2013zjjz180)；航空科學基金(2014ZD56007)。

王海濤(1986年-)，男，碩士研究生，主要從事建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測、管道質(zhì)量評價等方面的研究。

TB52

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.04.001

1673-6214(2016)04-0203-05